電気自動車におけるパワーエレクトロニクス向けダイアタッチ材 | IDTechEx Research Article

電気自動車におけるパワーエレクトロニクス向けダイアタッチ材 | IDTechEx Research Article

IDTechExの新しい調査レポートでは、様々な電気自動車のパワーエレクトロニクスで用いられるダイ・基板用の各種アタッチ材の市場を調査しています。業界トレンドに関する包括的な見解を提供するほか、より高性能なダイアタッチ材の採用を牽引するトレンドにも目を向けています。

Dr Khasha Ghaffarzadeh
電気自動車におけるパワーエレクトロニクス向けダイアタッチ材
この新しい 調査レポート は様々な電気自動車のパワーエレクトロニクスで用いられるダイ・基板用の各種アタッチ材の市場を調査しています。本レポートでは、詳細な数量的モデルを作成し、電気自動車のパワーエレクトロニクスの各種機能におけるダイと基板用アタッチ材の実現可能な最大の市場規模を予測しています。また材料の種類別に市場を区分して、10年間の市場予測(金額と量)を行います。ここで扱う材料には、ナノ銀焼結材、マイクロ銀焼結材、Cu焼結材、SAC等のはんだ、TLP接合材などがあります。
 
本レポートは、業界トレンドに関する包括的な見解を提供するほか、より高性能なダイアタッチ材の採用を牽引するトレンドにも目を向けています。また、ダイ接着、インターコネクト、冷却機構等のパッケージングソリューションが、業界の切迫したニーズを満たすためにどのように進化しているのかを評価するとともに、市場にある主要な電気自動車のパワーモジュールの現在と過去の実装状況を調査します。その他、世界中の金属焼結ソリューションを提供する全企業の包括的な評価も掲載しています。
 
 
メインチャート: ダイと基板両方の接着に使用される各種ダイアタッチ材の市場予測。ここで扱う材料は、SAC等のはんだ、Cu焼結材、TLB、ミクロンおよびナノAg焼結材(順不同)となります。混合する材料が変わると、価格が異なるため、市場価格に影響が出ます。左の挿入図: ダイアタッチ材のみの実現可能な最大の市場規模の予測。電気自動車のカテゴリー別(マイルドハイブリッド、プラグインハイブリッド、フォークリフト、バス、バイクなど)に濃淡で区分けしています。右の挿入図: ダイ分野の総計での予測。パワーエレクトロニクスの機能別(充電器、DC/DC、インバータなど)に区分けしています。さらに詳しい詳細な数字は、調査レポート でご確認ください。
背景
電気自動車市場は拡大しています。 結果として、各種電気自動車内で使われるパワーモジュールの市場は広がっています。このことは、パワーエレクトロニクスのパッケージ、モジュールで使用されるダイアタッチ材などの材料の需要増加へとつながります。当社のチームは、過去15年の間、電気自動車の市場調査を行ってきました。この継続的な調査では、48Vハイブリッド、プラグインハイブリッド、ハイブリッド、完全電気自動車や電動のフォークリフト、バス、バイク、スクーター、ドローンなど多岐にわたる電気自動車の分析を自社独自で行っています。この調査で得た数値の多くが、当社の予測モデルの根拠となっています。
 
パワーエレクトロニクス技術自体も変化しています。本レポートでは、まず様々な半導体技術(Si、SiC、GaN)を俯瞰し、ベンチマークを行います。ここでは、材料・デバイスレベルでの各材料技術の利点を考察します。次に、電圧と電力の要件の観点から、想定される主要用途を整理します。ワイドバンドギャップ半導体が直面する課題をいくつか取り上げる予定です。より具体的に言うと、これらの新しい技術はSi MOSFETやSi IGBTに完全に置き換わるものではないというのが当社の主張です。多くのパッケージ設計、駆動方式、駆動回路は、これら技術を最適に利用できるように適合させる必要があります。SiCは、現在も着々と進んでいるようにウエハサイズが大型化しても、Siよりも高価であり、それは今後も変わらない可能性があります。そうした中でSiCを高域の完全電気自動車用インバータに用いることの商業的合理性について考察を行います。
 
本調査でとりわけ興味深いのは、出力面密度の上昇傾向であり、動作温度の上昇へとつながっています。実際、動作温度は2000年代前半頃に、既に70℃程度から170℃まで押し上げられています。業界はさらにこの温度を250℃まで押し上げたいと考えています。
 
このトレンドには、高い動作温度に耐えられるSiCやGaNなどのワイドバンドギャップ材料への移行による部分もあります。これらの材料により、温度のボトルネックは、デバイスのジャンクション温度からパッケージング材料へと移り変わるでしょう。また、これらの材料によって小さなダイでも高い出力レベルを扱えるようになり、面出力密度が上昇します。高い出力密度レベルを求めるトレンドと、(受動部品のサイズを縮小する)より効率的でより高い周波数での動作を求めるトレンドが組み合わさることにより、小型化されより統合されたパワーエレクトロニクスパッケージへとつながります。こうしたトレンドに対応するために、パッケージング技術は適応する必要があり、実際に適応しようとしているところです。実際、このトレンドにより、ほとんどのはんだを含む多くの材料が性能の限界を超えてしまうことから、代替品にドアが開かれることになります。
 
本レポートではまず、インターコネクト技術が、従来のアルミワイヤボンディングからどのように移行しているかを調べます。アルミワイヤボンディングは、(a)熱伝導率が低く、(b)両面放熱に適さず、(c)よく障害点となります。多くの代替アプローチを検証します。それには、(1)Cuメタライズを施したダイパッドへのCuワイヤボンディング、(2)スペーサー付き、スペーサーなしのはんだ付け・焼結のCuリード・クリップ・ピン、(3)焼結された緩衝プレートへのCuワイヤボンディング、(4)メタライズを施したフレキシブルフィルムの接着剤による接着、(5)金属焼結によるフレックスPCBの接着を含みます。なお、本トピックは接着材料に関連するものです。一部の実装では、焼結金属やはんだが利用されています。
 
次のセクションでは、ダイアタッチ材としてのはんだ技術の制約について検証を行います。様々なはんだの化学的性質から見た最高動作温度を考察し、はんだ技術、特に鉛フリー・金フリーはんだの同相温度がいかに低く、動作温度が175-200℃に近づくにつれて故障の可能性が高くなるのかを示します。次に、金属焼結と各種はんだ技術とのベンチマークを行います。これにより金属焼結がバルクのような融解温度と高い熱伝導率を持ち、銅とのCTEミスマッチが比較的低いということを示します。また、各種オプションの価格水準についても比較します。
 
次に、ABB、STマイクロ、セミクロン、インフィニオン、StarPower、ダンフォス、コンチネンタル、シーメンス、 マイクロセミ、中国中車、富士電機、日立などの企業が金属焼結をどのように使用・実演してきたかを検証します。実際、今日のほとんどのメーカーが、金属焼結技術を扱うことができるということは明らかです。
 
次に、様々なハイブリッド・完全電気自動車で使われるインバータ電源モジュールの概要を説明します。自動車メーカー各社が利用する電源モジュールを、直接またはその延長上で調査します。ここでは、ゼネラルモーターズ、ヒュンダイ、フォルクスワーゲン、ダイムラー、日産、ホンダ、BMW、テスラなどで使用されるインバータを扱います。モジュールメーカーについても取り上げます。本セクションでは、基板、冷却技術・設計、ダイ・基板の接着などの点から、各企業が行った様々な設計・材料の選択にハイライトを当てています。複数の設計が存在し、それらが現在の要件に対応することが実証されている中で、トレンドは明らかになります。前述したように、これらの設計は将来の要件と新たな半導体技術に従って進化します。
 
次には、金属焼結ダイアタッチペーストの材料、プロセス、サプライヤーを取り上げます。最初に、加圧金属焼結ペーストの重要な特性について考察します。ここでは焼結プロセスの条件、接合部の剪断強度、焼結圧力と焼結層の気孔率との関係に注目します。また、加圧焼結で使用される機器もいくつか取り上げます。さらには、製品のフォームファクタが、どのようにして単なるペーストを超えてプリフォームやドライ転写フィルムへと進化し、可能な限り多くの完全互換品を金属焼結にするのかということについて考察します。最後に、常圧焼結について検証します。ここでは、従来の長い焼結時間や、乾燥チャネルをあまり多く形成することなく広範囲のダイを焼結することの難しさなど、典型的な課題を考察します。
 
次はAg・Cu焼結ペーストのサプライヤーに焦点を当てます。 ここでは次にあげる各社の包括的な見解を提供します。とりあげる企業は、ヘラウス, Alpha Assembly, ナミックス, 京セラ, バンドー化学, NBE Tech, 三菱マテリアル, Indium, ヘンケル, Nihon Superior, Dowa, Nihon Handa, AmoGreen, Mitsui Mining, 日立化成などです。
 
次は詳細な予測モデルを作成します。当社のモデルではまず、出力レベルと、対象の各車両タイプの各パワーモジュール機能で使用されるダイ面積を予測します。ここでは、充電器、インバータ、DC/DCコンバータなどを検証します。次に、ダイ面積の経時変化の予測を作成します。これは、複数の現在の実装例の調査をべースにします。一般的に、ダイがより高い出力レベルをよりうまく扱えるようになるにつれ、ダイ面積は縮小し、より小さくより少数のダイを使用できるようになります。SiC技術の台頭が、このプロセスを促進するでしょう。このステップにより、材料の体積・質量の観点から、ダイアタッチ材についての実現可能な最大の市場規模の予測を作成することができます。次に、様々な実装について調査を行い、基板からベースプレートへの接着における実現可能な最大の市場規模を予測します。ここでは、面積の拡大や、ボンドライン厚の厚化、すべてのパワーモジュールの実装においてそのような接着が必要となっているわけではないという事実など、複数の要因を検証しました。次に、ダイから基板への接着、基板からベースプレートへの接着の両方で使用されるダイアタッチ技術別に、マーケットシェアの予測を立てます。対象とするダイアタッチ技術には、Agナノ焼結、Agミクロン焼結、Cu焼結、SAC等のはんだ、TLP接合材などが含まれます。 当社のモデルは特定材料の向こう10年間の数量と金額を含むフォーキャストを作成しました。さらに詳しくは、調査レポート 「電気自動車におけるパワーエレクトロニクス向けダイアタッチ材 2020年-2030年」をご参照ください。
 
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